การระเบิดหลังการเปิดใบพัดกวน (Naphtha vaporisation) MO Memoir : Wednesday 4 January 2566

เรื่อง "การระเบิดหลังการเปิดใบพัดกวน" ๓ เรื่องแรกที่เล่าไปก่อนหน้านี้เป็นเหตุการณ์ที่เกิดในประเทศญี่ปุ่นเมื่อปีค.ศ. ๑๙๗๐ (พ.ศ. ๒๕๑๓) และปีค.ศ. ๑๙๗๓ (พ.ศ. ๒๕๑๖) มาวันนี้เป็นเหตุการณ์ที่เกิดในประเทศสหรัฐอเมริกาเมื่อวันที่ ๘ เมษายน ค.ศ. ๒๐๒๑ (พ.ศ. ๒๕๖๔) แม้ว่าเรื่องในวันนี้จะเกิดหลังจากเรื่องที่เล่าไปก่อนหน้าถึง ๕๐ ปี แต่รูปแบบการเกิดก็เหมือนกัน คือหลังจากที่เดิมสารเข้า reactor ไปแล้ว โอเปอร์เรเตอร์พบว่าใบพัดกวนปิดอยู่ ก็เลยเปิดการทำงานของใบพัดกวน ทำให้เกิดไอระเหยของเชื้อเพลิงรั่วไหลออกมาจาก reactor ก่อนที่จะเกิดการระเบิดตามมา

เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้ (รวมทั้งรูปที่นำมาประกอบ) นำมาจากรายงาน Investigation Update, December 2022 เหตุการณ์ "Flammable Vapor Release, Explosion, and Fire at Yenkin-Majestic" จัดทำโดย U.S. Chemical Safety and Hazard Investigation Board (ที่ย่อว่า CSB) โดยเป็นเหตุการณ์ที่เกิดที่โรงงาน Yenkin-Majestic OPC Polymers resing plant มลรัฐ Ohio ประเทศสหรัฐอเมริกา เมื่อวันที่ ๘ เมษายน ค.ศ. ๒๐๒๑ (พ.ศ. ๒๕๖๔) ที่ทำให้มีผู้เสียชีวิต ๑ รายและบาดเจ็บอีก ๘ ราย (รูปที่ ๑) รายละเอียดเพิ่มเติมของโรงงานและเหตุการณ์นี้สามารถหาอ่านได้ในรายงานดังกล่าว โดยในที่นี้จะคัดมาเฉพาะส่วนที่เกี่ยวข้องกับการเปิดใบพัดกวน

รูปที่ ๑ สภาพภายนอกของโรงงานภายหลังการระเบิด

หน่วยที่เกิดเหตุคือส่วนผลิตเรซิน (Resin) "เรซิน" ในที่นี้คือของเหลวที่ใช้สำหรับเคลือบผิว โดยจะนำสารตั้งต้นมาผสมกันใน reactor ที่เรียกว่า "kettle" สารตั้งต้นที่เป็นของแข็งจะใช้การเทผ่าน Manway ลงไปใน kettle โดยในระหว่างการผสมจะมีการให้ความร้อน (ด้วยไอน้ำหรือเปลวไฟ) เพื่อให้เกิดปฏิกิริยาและละลายส่วนผสมต่าง ๆ ให้เป็นเนื้อเดียวกัน (รูปที่ ๒) สารละลายที่ได้ค่อนข้างจะมีความหนืดสูงอยู่

รูปที่ ๒ โครงสร้างของ kettle

กระบวนการผลิตเป็นแบบกะ (batch) คือผสมเสร็จก็ถ่ายผลิตภัณฑ์ที่ได้ออกไป แล้วก็เติมส่วนผสมสำหรับการผลิตสารตัวถัดไป ในการผลิตนั้น หลังจากที่เติมวัตถุดิบต่าง ๆ เข้าไปผสมในถังพร้อมทั้งทำการปั่นกวนและให้ความร้อน จนกระทั่งปฏิกิริยาเกิดสมบูรณ์ (มีการเก็บตัวอย่างไปวิเคราะห์ทุก ๑๕-๒๐ นาที) การผสมกระทำที่ความดันบรรยากาศหรือใกล้ความดันบรรยากาศ โดยเมื่อทำปฏิกิริยาเสร็จ โอเปอร์เรเตอร์ก็จะกดปุ่ม "Batch Done" ซึ่งจะทำการหยุดการให้ความร้อนแก่ kettle และเริ่มทำการป้อนน้ำหล่อเย็นเพื่อลดอุณหภูมิสารผสม

ในระหว่างการลดอุณหภูมิสารผสม จะมีการฉีดตัวทำละลายลงไปจากทางด้านบน (Solvent Spray Heads ในรูปที่ ๒) ตัวทำละลายที่ฉีดลงไปทำหน้าที่ช่วยระบายความร้อน (ด้วยการระเหยกลายเป็นไอ) และลดความหนืดของสารผสมในถัง (เพื่อให้ง่ายต่อการส่งต่อทางท่อ) ตัวทำละลายที่ใช้คือ varnish maker และ painter's naphtha (ในรายงานย่อว่า VM&P) ทั้งสองตัวเป็นไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัวในช่วง light naphtha (ช่วงน้ำมันเบนซิน) ที่มีอุณหภูมิจุดเดือดในช่วงระหว่าง 129-144ºC (ในรายงานบอกเป็นองศาฟาเรนไฮต์คือ 264-291ºF) (จุดเดือดของ octane C₈H₁₈ อยู่ที่ประมาณ 125ºC จุดเดือดของ nonane C₉H₂₀ อยู่ที่ประมาณ 151ºC) ไอระเหยของตัวทำละลายนี้หนักกว่าอากาศประมาณ 4 เท่า

เหตุการณ์ในคืนที่เกิดเหตุ โอเปอร์เรเตอร์ A ที่ทำหน้าที่ดูแล kettle หมายเลข 3 ได้เข้ามาเก็บตัวอย่างเพื่อนำไปวิเคราะห์ว่าปฏิกิริยาสิ้นสุดหรือยัง โดยในขณะที่เข้ามาเก็บตัวอย่างนี้ใบพัดกวนยังทำงาน และโอเปอร์เรเตอร์ A คนเดิมก็กลับเข้ามากดปุ่ม "Batch Done" ให้กับ kettle หมายเลข 3 เมื่อเวลาประมาณ ๒๒.๓๓ น (ข้อมูลที่ระบบบันทึกไว้ระบุว่าใบพัดกวนหยุดทำงานเวลาประมาณ ๒๒.๒๒ น ซึ่งเป็นช่วงเวลาหลังจากที่โอเปอร์เรเตอร์ A นำตัวอย่างไปวิเคราะห์และก่อนที่จะกลับเข้ามากดปุ่ม "Batch Done" ซึ่งตรงนี้ก็สงสัยว่าเมื่อใบพัดกวนหยุดทำงาน มีสัญญาณเตือนหรือไม่) และเริ่มการลดอุณหภูมิสารใน kettle โดยเมื่อเวลา ๒๓.๐๖ น เริ่มการฉีดพ่นตัวทำละลายลงไป 300 แกลลอน (ประมาณ 1136 ลิตร) ด้วยอัตราคงที่นาน 26 นาที โดยในขณะนี้อุณหภูมิใน kettle อยู่ที่ประมาณ 430ºF (221ºC) ในขณะที่ตัวทำละลายที่ฉีดลงไปมีอุณหภูมิประมาณ 70ºF (21ºC) และต้องลดอุณหภูมิให้ต่ำกว่า 325ºF (163ºC) ก่อนจึงจะถ่ายสารออกจาก kettle ได้

พิจารณาจากอุณหภูมิของสารที่ต้องการลดลงให้เหลือ (163ºC) ที่สูงกว่าอุณหภูมิจุดเดือดของตัวทำละลาย (ประมาณ 144ºC) แล้ว แสดงว่าการฉีดตัวทำละลายในครั้งนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อการลดอุณหภูมิเป็นหลักโดยใช้การระเหยของตัวทำละลายที่ฉีดเข้าไป (ความร้อนแฝงของการระเหยกลายเป็นไอมีค่าสูง ดังนั้นปริมาณความร้อนที่ดึงออกได้ต่อหน่วยน้ำหนักตัวทำละลายที่ใช้จึงมีค่าสูง) ในกรณีที่มีการปั่นกวนใน kettle ของเหลวด้านบนใน kettle ที่เย็นตัวลงจะถูกหมุนเวียนลงล่างและของเหลวด้านล่างที่ร้อนจะไหลหมุนเวียนมาด้านบนและสามารถถ่ายเทความร้อนให้กับตัวทำละลายได้ แต่ถ้าไม่มีการปั่นกวน ของเหลวด้านบนที่เย็นตัวลงก็อาจจะกลายเป็นของแข็งหรือเป็นชั้นของเหลวโดยมีอุณหภูมิที่ผิวบนต่ำกว่าจุดเดือดของตัวทำละลาย ดังนั้นตัวทำละลายที่ฉีดลงมาภายหลังจะไม่เกิดการระเหย และลอยอยู่บนชั้นสารใน kettle ในรายงานกล่าวไว้ว่าพิจารณาจากขนาดของ kettle (3000 แกลลอน) และปริมาณตัวทำละลายที่ฉีดเข้าไป คาดว่ามีชั้นตัวทำละลายที่เป็นของเหลวหนา 9-10 นิ้วอยู่บนผิวเรซินใน kettle

รูปที่ ๓ ไอระเหยของตัวทำละลายแพร่ออกจากทาง man way (ตรงลูกศรสีแดง) จากรูปที่ 1 ถึง 4 ใช้เวลาเพียงแค่ 6 วินาที หน้าแปลนสีน้ำเงินที่ลูกศรสีน้ำเงินชี้เป็นช่องที่ทำขึ้นตรงกลางฝา man way อีกที

การฉีดพ่นตัวทำละลายเสร็จสิ้นประมาณ ๒๓.๓๒ น และเวลาประมาณเที่ยงคืน ค่าอุณหภูมิภายใน kettle ที่ระบบบันทึกเอาไว้คือ 424ºF (ประมาณ 218ºC) หรือเย็นตัวลงเพียงเล็กน้อย 3ºC เท่านั้นเอง ในเวลานี้โอเปอร์เรเตอร์ A จึงทำการมองผ่าน glass window ของ man way เข้าไปใน kettle และพบว่าใบพัดกวนหยุดทำงาน (ตรงนี้ก็มีประเด็นที่น่าสนใจก็คือ เสียงในโรงงานดังแค่ไหน เสียงการทำงานของมอเตอร์ดังแค่ไหน ทำไมโอเปอร์เรเตอร์จึงไม่สามารถรู้ได้ว่าใบพัดกวนหยุดทำงานโดยอิงจากเสียงการทำงานของมอเตอร์ที่หายไป) เขาจึงได้เปิดการทำงานของใบพัดกวน รายงานไม่ได้บอกว่าโอเปอร์เรเตอร์สงสัยว่าใบพัดกวนหยุดทำงานโดยดูจากอุณหภูมิที่ไม่ลดลง หรือรู้โดยบังเอิญจากการมองเข้าไปข้างใน kettle

เมื่อเริ่มเปิดการทำงานใบพัดกวน เรซินร้อนที่อยู่ชั้นล่างที่มีอุณหภูมิสูงกว่าจุดเดิอดของตัวทำละลายก็ไหลเวียนมาถ่ายเทความร้อนให้กับตัวทำละลายที่อยู่ผิวบน ทำให้ตัวทำละลายเดิอดกลายเป็นไออย่างรวดเร็ว ทำให้ความดันใน kettle สูงจน alarm ส่งสัญญาณเตือนใน 15 วินาทีถัดมา ก่อนที่จะเกิดการรั่วไหลออกทาง man way อย่างรวดเร็ว ซึ่งจะเห็นได้จากรูปที่ ๓ ที่แสดงการรั่วไหลออกจาก man way ในช่วงเวลาเพียงแค่ 6 วินาที ทำให้โอเปอร์เรเตอร์ A ไม่สามารถกลับเข้าไปปิดการทำงานของใบพัดกวนได้ (แสดงว่าหลังเปิดการทำงานของใบพัดกวน โอเปอร์เรเตอร์ A ได้ออกจากบริเวณติดตั้งสวิตช์ควบคุม จนกระทั่งสัญญาณเตือนดังและเห็นไอตัวทำละลายรั่วไหลออกมา จึงได้พยายามเข้าไปปิด แต่ไม่สำเร็จ)

รูปที่ ๔ ไอระเหยของตัวทำละลายที่ไหลลงชั้นล่าง ก่อนที่จะเกิดการระเบิด (ภาพจากกล้องวงจรปิด)

ภาพจากกล้องวงจรปิดแสดงให้เห็นว่าโอเปอร์เรเตอร์ A และโอเปอร์เรเตอร์ B (คนที่เข้าไปช่วยพาโอเปอร์เรเตอร์ A ออกจากบริเวณเกิดเหตุ) หนีออกจากอาคารเกิดเหตุเมื่อเวลาประมาณ ๐๐.๐๓.๕๐ น หรือประมาณ 30 วินาทีก่อนการระเบิด จากการนับจำนวนพนักงานพบว่าหายไป ๓ ราย ซึ่งต่อมาพบ ๒ รายได้รับบาดเจ็บติดอยู่ใต้ซากอาคาร และรายที่ ๓ พบว่าเสียชีวิตอยู่ภายใต้ซากอาคาร

รูปที่ ๖ พึงสังเกตความหนาของฝาปิด man way ที่ไม่ได้ออกแบบมารับความดัน ดังนั้นเมื่อความดันสูงขึ้นเล็กน้อยฝาก็สามารถเผยอออก ทำให้แก๊สข้างในรั่วไหลออกมาได้ รูปนี้ถ่ายไว้ก่อนเกิดเหตุไม่กี่เดือน

การระเบิดหลังการเปิดใบพัดกวน (5-t-butyl-m-xylene) MO Memoir : Tuesday 3 January 2566

อยู่ดี ๆ เว็บJST Failure Knowledge Database หรือ www.shippai.org ก็หายไปดื้อ ๆ ไม่รู้จะกลับมาอีกหรือไม่ ถ้าไม่กลับมาก็คงน่าเสียดาย เพราะยังมีเหตุการณ์ต่าง ๆ ที่น่านำมาเล่าให้ฟังอีกเยอะ อย่างเช่นเรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้ นำมาจากบทความเรื่อง "Explosion of 5-t-butyl-m-xylene on restarting an agitator during the nitration reaction" ที่เป็นเหตุการณ์เกิดที่เมือง Osaka ประเทศญี่ปุ่น เมื่อวันที่ ๑๔ เมษายน ค.ศ. ๑๙๗๐ (พ.ศ. ๒๕๑๓)

ปฏิกิริยา Friedel-Crafts alkylation ของ m-xylene มีพฤติกรรมที่แปลกหน่อย คือแทนที่หมู่ alkyl ตัวที่ 3 ที่เติมเข้าไปจะเข้าที่ตำแหน่ง ortho หรือ para เมื่อเทียบกับหมู่ -CH₃ 2 หมู่ที่มีอยู่เดิม (ซึ่งจะทำให้เกิดผลิตภัณฑ์ 1,2,3 หรือ 1,3,4 isomer แต่การแทนที่กลับเข้าที่ตำแหน่ง meta เมื่อเทียบกับหมู่ -CH₃ 2 หมู่ที่มีอยู่เดิม ทำให้ได้ 1,3,5 isomer เป็นผลิตภัณฑ์ (รูปที่ ๑) ซึ่งเรื่องนี้ได้เล่าไว้ใน Memoir ฉบับก่อนหน้านี้เมื่อวันเสาร์ที่ ๓๑ ธันวาคม ๒๕๖๕ เรื่อง "ปฏิกิริยาElectrophilic substitution ของ m-Xylene"

รูปที่ ๑ ปฏิกิริยา Friedel-Crafts alkylation ของ m-xylene จะมีการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาช่วย ทำให้หมู่ alkyl หมู่ใหม่ที่เติมเข้าไปเข้าไปที่ทำหน้า meta เมื่อเทียบกับหมู่ -CH₃ ที่มีอยู่เดิม ได้ 1,3,5 isomer เป็นผลิตภัณฑ์ แทนที่จะได้ 1,2,3 หรือ 1,3,4 isomer

5-t-butyl-m-xylene สังเคราะห์ได้จากปฏิกิริยา Friedel-Crafts alkylation ของ m-xylene ด้วย tert-butyl chloride โดยมี aluminium chloride (AlCl₃) เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา เมื่อนำ 5-t-butyl-m-xylene มาทำปฏิกิริยา nitration ผลิตภัณฑ์ที่ได้คือ 1-tert-Butyl-3,5-dimethyl-2,4,6-trinitrobenzene สารตัวนี้รู้จักกันในอีกชื่อหนึ่งคือ musk xylene ที่เคยใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมน้ำหอม (รูปที่ ๒) แต่ในปัจจุบันมีการใช้กันอย่างจำกัด

รูปที่ ๒ ปฏิกิริยา nitration ของ 5-t-butyl-m-xylene เนื่องจากหมู่ alkyl ทั้ง 3 หมู่เป็น ring activating group จึงทำให้หมู่ NO₂⁺ สามารถเข้าไปแทนที่อะตอม H ของวงแหวนที่เหลือยู่ 3 อะตอมได้หมด

กระบวนการผลิตของโรงงานที่เกิดอุบัตเหตุนั้นเริ่มจาก (รูปที่ ๓ - วาดขึ้นใหม่เพราะภาพาต้นฉบับไม่ชัด) การเติม H₂SO₄ และ HNO₃ เข้มข้น ผสมกันในถังผสม จากนั้นจึงค่อย ๆ เติม 5-t-butyl-m-xylene ลงไปเพื่อให้เกิดปฏิกิริยา โดยใช้เวลาในการเติมประมาณ 14-15 ชั่วโมงพร้อมทั้งทำการปั่นกวนของเหลวในถังผสมตลอดเวลา ในระหว่างการทำปฏิกิริยานี้จะคุมอุณหภูมิในถังผสมให้อยู่ในช่วง 35-45ºC โดยทำการวัดอุณหภูมิทุก ๆ 30 นาที (ปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน รูปภาพประกอบของเอกสารต้นฉบับระบุอุณหภูมิการทำปฏิกิริยาในช่วง 35-45ºC แต่ในเนื้อหาบทความกล่าวว่าเป็นช่วง 35-40ºC - รูปที่ ๔) เมื่อเติม 5-t-butyl-m-xylene จนครบจำนวนแล้วก็จะถ่ายสารผสมเข้าสู่กระบวนการถัดไปที่จะมีการเติมกรดกำมะถันลงไปอีก (ในรูปใช้คำว่า Fermentation ที่ถ้าแปลตรงตัวก็คือ "การหมัก" แต่ในที่นี้น่าจะหมายถึงการตั้งทิ้งไว้เพื่อให้ปฏิกิริยาเกิดสมบูรณ์) ก่อนที่จะนำสารผสมนั้นไปแยกเอาผลิตภัณฑ์ออกมา

รูปที่ ๓ Process flow diagram ของกระบวนการผลิตที่เกิดอุบัติเหตุ พึงสังเกตุว่าใช้กรดไนตริก (HNO₃) เข้มข้นสูงที่เรียกว่า fuming nitric acid ในการทำปฏิกิริยา conc. HNO₃ ที่ใช้กันทั่วไปในห้องปฏิบัติการเคมีจะเข้มข้นเพียง 68-70 wt%

การทำงานในวันที่เกิดเหตุนั้นเป็นดังนี้

13.00 น ทำการเติมสารละลายกรดผสมเข้าไปใน reactor

13.30 น เริ่มทำการเติม 5-t-butyl-m-xylene เข้าไปใน reactor

18.30 น การตรวจสอบยืนยันว่าอุณหภูมิใน reactor อยู่ที่ 37ºC (แสดงว่ายังมีปฏิกิริยาเกิดอยู่ แต่ก็เป็นไปได้ว่าใบพัดกวนหยุดทำงานแล้ว เพราะอีก 20 นาทีถัดมาก็พบว่าระบบเย็นตัวลงมากเกินไปแล้ว)

18.50 น ตรวจพบว่าอุณหภูมิใน reactor ลดลงต่ำกว่า 34ºC แสดงว่าใบพัดกวนหยุดทำงาน (สารตั้งต้นเป็นโมเลกุลไม่มีขั้ว จะแยกชั้นกับสารละลายกรด จึงต้องทำการปั่นกวนเพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวสัมผัสระหว่างเฟส ปฏิกิริยาจึงจะเกิดได้ดี ถ้าหากใบพัดกวนหยุดทำงาน จะเกิดการแยกเฟสเป็นสองชั้น พื้นที่ผิวสัมผัสระหว่างเฟสจะลดลงมาก ปฏิกิริยาจะเกิดได้ไม่ดี อุณหภูมิภายใน reactor ก็จะลดลง)

เมื่อพบว่าใบพัดกวนหยุดทำงาน จึงหยุดการเติม 5-t-butyl-m-xylene และเปิดการทำงานของใบพัดกวนใหม่ทันที แต่หลังจากนั้นโอเปอร์เรเตอร์ระลึกได้ว่าการเปิดการทำงานใบพัดกวนใหม่นั้นอาจทำให้ปฏิกิริยาเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว จึงทำการปิดการทำงานใบพัดกวนทันที แต่ในขณะนั้นเริ่มมีกลุ่มกควันสีเหลืองลอยออกมาจากช่องระบายแก๊สของ reactor โอเปอร์เรเตอร์จึงพยายามเข้าไปเปิดวาล์วทางด้านล่างของ reactor เพื่อระบายของเหลวในถังออก แต่ไม่สามารถกระทำได้เนื่องจากกลุ่มควันปกคลุม จากนั้นไม่กี่นาทีถัดมามีกลุ่มหมอกควันขาวพวยพุ่งออกมาก่อนที่จะเกิดการระเบิดและเพลิงงไหม้ตามมา แรงระเบิดทำให้ฝา reactor ปลิวออกไปไกลประมาณ 15 เมตรพร้อมทั้งการพังของตัว reactor

รูปที่ ๔ คำบรรยายเหตุการณ์ที่เกิด

ในเรื่อง "การระเบิดหลังการเปิดใบพัดกวน (Sulphonation reaction)" ที่เล่าไปเมื่อวันเสาร์ที่ ๑๐ ธันวาคม ๒๕๖๕ นั้น ก็เป็นเหตุการณ์ที่เกิดที่เมือง Osaka เช่นเดียวกัน (แต่ไม่รู้ว่าเกิดขึ้นในบริษัทเดียวกันหรือไม่) โดยเกิดเมื่อวันที่ ๓๐ สิงหาคม ค.ศ. ๑๙๗๐ หรือหลังจากเหตุการณ์นี้เพียงแค่ 4 เดือนครึ่ง และสองเหตุการณ์นี้ก็มีรูปแบบการทำปฏิกิริยา (การค่อย ๆ เติมสารตั้งต้นตัวหนึ่งลงไปในสารตั้งต้นอีกตัวหนึ่ง) และรูปแบบการเกิดอุบัติเหตุที่เหมือนกัน (พบว่าใบพัดกวนหยุดทำงาน จึงรีบเปิดการทำงานของใบพัดกวนทันที) ซึ่งเป็นการแสดงให้เห็นความสำคัญของการรีบค้นหาสาเหตุของความผิดพลาดและการเผยแพร่สาเหตุดังกล่าวให้ผู้อื่นรับทราบ เพื่อที่ผู้อืนจะได้ไม่ทำผิดพลาดเช่นเดียวกันซ้ำอีก